KR100671232B1

KR100671232B1 - 무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한광화학 반응을 이용한 기체 오염처리장치

Info

Publication number: KR100671232B1
Application number: KR1020060021354A
Authority: KR
Inventors: 노병대
Original assignee: 주식회사 퓨리팍스
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-01-19
Also published as: WO2007102701A1

Abstract

본 발명은 무전극 자외선 발생장치를 발전시켜 악취, 기상 오염물질, 휘발성 유기화합물 등의 유해기체 성분의 분자를 광분해방법과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용하여 해리시키고 산화시켜 무해 물질로 변환 시키는 오염 기체 처리장치에 관한 것으로서, 마이크로파에 의한 무전극 자외선 발생장치와 광분해부, 광촉매 산화부를 근간으로 하여 공기 중의 수용성 가스와 미세먼지를 제거하는 액상 스크러버부와 유입되는 공기의 미세먼지를 제거하는 전기집진부, 습도를 적정 농도로 제어하기 위한 습도 조절부, 처리 후 광촉매 필터에 침적되는 산(acid)류를 세척하기 위한 미스트(mist) 스프레이 노즐을 이용한 광촉매 세척방법과 이에서 발생된 산류를 포집하는 쉐브론(chevron) 필터부로 구성된 것을 특징으로 하는 오염 기체 처리장치이다.

무전극, 자외선 램프, 광화학 작용, 분자 해리, 광촉매

Description

무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염처리장치{Photolysis and Photocatalaysis Air Pollution Treatment System Using Electrodeless UV lamp}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전극 자외선 램프에 의한 광분해반응과 촉매를 이용한 광화학 반응에 의한 기체 오염 처리장치의 개략적인 사시도이며,

도 2는 도 1 도시 무전극 자외선 램프 구성체의 평면도이며,

도 3은 본 발명을 구성하는 공진기에서의 전계 분포를 예시적으로 도시한 도면이며,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2단 분배형 무전극식 자외선 발생장치를 개략적으로 도시한 사시도이며,

도 5는 본 발명을 구성하는 2분기 슬롯을 가진 마그네트론 라운처의 전계분포도이며,

도 6은 본 발명을 구성하는 세브론 필터를 이용한 제습 유닛의 사시도이며,

도 7은 본 발명을 구성하는 또 다른 실시예의 세브론 필터를 이용한 제진 유닛의 사시도이며,

도 8은 본 발명을 구성하는 세브론 필터에서의 공기의 흐름도를 나타낸 것이며,

도 9와 도 10은 본 발명에서 광촉매에 의한 산화처리용 담체를 나타낸 것이다.

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 양 흡입 시로코 송풍기 30: 세브론 필터

50: 광분해 반응실 60: 광촉매 필터부

106: 무전극 자외선 램프

본 발명은 기체오염처리장치에 관한 것으로서, 특히, 무전극 단파장 자외선 광선의 높은 광화학적 특성을 이용하여 다양한 종류의 기체 오염을 처리하기 위한무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염처리장치에 대한 것이다.

오늘날, 순수한 기체는 산소와 질소 소량의 수소나 아르곤 같은 기체 및 수분과 소량의 이산화탄소가 있을 뿐으로, 여러 가지 분자가 상호 결합된 유해 화합물은 존재하지 않으나 인구의 팽창과 산업화 과정에서 발생하는 미세먼지, 및 휘발성 유기물질, 화석 연료의 연소시 발생하는 NOx, SOx를 비롯하여 다양한 과정으로부터 악취 등이 발생하여 사람의 건강을 해칠 뿐 아니라 지구의 온난화, 오존층의 파괴 등을 유발하여 대기오염으로 인한 피해는 날로 심각해지고 있다.

그런데, 대기오염원은 매우 다양한 장소에서 다양하게 발생되고 있어서 발생을 억제하거나 배출된 오염물질을 효과적으로 처리하기는 매우 어려운 실정이었다.

따라서, 발생된 기체 오염 중에서 악취를 제거하기 위하여, 종래에는 활성탄과 같은 다공질 필터를 이용하여 유해 기체 분자를 흡착하거나, 미생물의 신진대사를 통하여 이들을 분해시키는 바이오 필터를 사용하거나, 저온 프라즈마에 의하여 기체를 분해, 산화시키는 방법이 사용되었다.

또한, 화학 공정에서 배출되는 고농도의 VOC의 경우에는, 이를 별개의 열원을 통하여 연소 산화시키는 직접 연소방법(RTO; Regenerative Thermal Oxidizer)이나, 저온에서 촉매를 이용하여 제거하는 촉매연소법(RCO; Regenerative Catalytic Oxidizer)을 사용하며, 액체를 사용해서 기체 속에 포함되어 있는 미세한 먼지나 수용성 가스를 제거하는 스크러버를 사용하기도 하였다.

그러나, 상기 방법들 중에서 활성탄을 이용하여 가스를 흡착하는 흡착법은 공정은 비교적 단순하나 가스 포집장치의 대형화와 활성탄의 주기적 교체, 이로 인한 비용, 폐기물의 후처리 등의 어려움이 있다.

또한, 바이오필터를 사용하는 경우, 미생물로 악취분자를 분해시키는 방법이나 미생물의 관리가 까다롭고 종균의 종류에 따라 특정 가스만을 처리할 수 있기 때문에 사용범위가 제약되며 체류시간이 길어짐에 따라 장치가 방대하여 실내설치는 물론 소규모 사업장에도 적용이 어려운 실정이다.

더우기, 휘발성 유기화합물의 처리하는 방법 중에서 RTO는 가소성 물질을 포 집하여 태우는 공정으로 고농도에서는 유효한 방법이나 저농도에서는 별도의 연료를 지속적으로 공급하여야 하는 단점이 있으며, RCO는 촉매제로 백금이나 텅스텐, 바나듐 등을 사용하게 되어 연료비는 감소하나 촉매의 교체비용이 높아 운용에 부담이 커서 범용성이 떨어진다.

한편, 대기를 오염시키는 유해 기체는 거의 대부분이 몇 개의 원소들로 결합되어 고유의 특성을 갖는 화합물이며, 이러한 특성은 결합 분자 구조가 깨어지지 않는 한 그대로 유지되는 데, 이러한 분자를 이룬 각 원소들 간의 결합 에너지는 원자의 종류 및 결합 형태에 따라 다르나 결합 에너지보다 높은 외부 에너지가 분자에 가해지면 이들은 각각의 원소로 해리되며(이 때 필요한 에너지가 해리 에너지), 이와 같이 분자 결합을 떼어낼 수 있는 에너지인 열, 전기, 화학, 광학적 에너지 중에서 빛을 따라 방사되는 에너지인 광화학 에너지를 가하면 유해 기체 화합물을 분해시킬 수 있다.

빛은 진동수 또는 파장의 분포에 따라 적외선, 가시광선, 자외선으로 분류되는 데, 기체 분자의 결합 에너지는 수백 kJ/㏖로 단파장 자외선의 에너지는 대부분의 분자를 해리시킬 수 있다.

한편, 방전 램프를 이용하여 자외선을 발생시키는 원리는 자외선 스펙트럼을 갖는 기체를 전구체에 봉입하고 전극을 통하여 방전 전류를 흘려 전기 에너지로 여기된 수은 원자의 외곽 전자가 여기되고 천이되는 과정에서 오비탈의 변화분에 해당하는 광에너지를 방출하는 원리를 이용하는 것이며, 보다 높은 광 에너지를 얻기 위하여 방전 전류를 증가시키게 되나 이로 인하여 방전 전극의 수명은 급격히 단축 되며 결과적으로 고출력의 자외선 램프는 실용성이 떨어졌다.

따라서, 고출력의 자외선 광원을 얻기 위하여 무전극식 자외선 램프를 적용하는 기술이 대한민국 특허 제 0524407호(공고 2005. )의 무전극 자외선 발생장치에 설명되어 있는 바, 이를 요약하면 전기장의 방향이 계속해서 반전하는 고주파 교류 전기장 내를 전자가 왕복하면서 기체 분자와 충돌하고 이 때 기체에 따른 스펙트럼이 방출되는 바, 전극이 없는 무전극식 자외선 램프는 전극으로 인하여 발생되는 고장 요인으로부터 자유로우며 또한 인가되는 고주파 전력에 따라서 광 출력이 결정되는 혁신적인 자외선 광원인 이점이 있다.

즉, 고밀도의 고주파 전기장 내에 설치된 방전관은 내부의 기체 분자가 여기되어 방전을 일으키게 되고, 따라서 진공관 내부에 전극을 형성하지 않고 방전관을 고주파 자계장 내에 위치시켜 방전관 내부의 가스 특성에 따라 연속 스펙트럼의 빛을 방사하게 되며, 여기에 사용되는 고주파 전계는 마그네트론을 이용하여 발생시킨 초고주파로써 비교적 단순한 장치를 통하여 수천 와트의 초고주파 전력을 발생시킬 수 있는 특징이 있다.

그러나, 기체에 대한 광 화학 반응은 단위 면적당 조사되는 자외선의 파장과 광량 노출시간에 의하여 결정되기 때문에 용도에 맞는 조사면적에 충분한 광량을 방출할 수 있는 기능이 요구되며 마이크로파 공진 캐비티의 형태와 공진 효율, 공진된 전자계 패턴에서의 전계 밀도 분포치 등 여러 가지 변수를 적용하여야 하며 따라서 공진 캐비티의 구조 설계는 매우 어려웠다.

한편, 오염 기체의 성분은 탄소, 수소, 산소만으로 이루어진 탄화수소, 알데 히드류 외에도 황화수소, 이황화메틸 등과 같이 황을 포함한 성분과 아민류와 같이 질소가 포함된 성분, 또 다이옥신등과 같이 염소가 포함된 성분이 있으며 전자의 오염 기체들의 경우에는 분해만으로도 무해화되나, 후자의 오염 기체들은 분해 만으로는 완벽한 처리가 되었다고 볼 수 없기 때문에 질산, 염산, 황산 등의 산(Acid) 형태로 안정화시키고 이들이 외부로 유출되지 못하도록 하는 장치가 필요하게 된다.

또한, 이들은 산 형태로 안정화될 때 광촉매의 표면에 점착되게 되어 광촉매 반응을 저하시키는 요인이 되며 이러한 현상을 방지하는 대책이 필요하게 되며, 광촉매에 의한 반응은 광촉매 표면에 존재하는 수분(H2O)을 촉매의 광반응에 의하여 방출되는 전자와 정공으로 분해하여 OH 라디칼을 생성케 하는 것으로 OH 라디칼의 산화 전위는 3.06eV로 거의 대부분의 유기물을 산화시키는 특성을 갖고 있다. 따라서 광촉매의 산화반응을 효과적으로 이끌어 내기 위해서는 피처리 기체 내에 적절한 수분 농도가 요구된다. 그러나 과도한 수분은 용해도가 높은 수용성 가스를 포집하여 광화학 반응을 막는 방해요소로 작용하게 되며, 따라서 적절한 습도의 조절은 필수적인 제어조건이 되는 문제가 존재하였다.

본 발명은 전술한 종래 기술에서의 여러 가지 문제점들을 감안하여 이를 해소하기 위하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 무전극 단파장 자외선 광선의 높은 광화학적 특성을 이용하여 다양한 종류의 기체 오염을 처리하기 위한 무전극 자외 선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 모든 기체 오염 성분을 안정적이며 완벽하게 처리하며 소형, 경량화가 가능하여 종래의 악취처리를 위한 바이오 필터를 대체하며 실내환경에서 대규모의 산업체까지 적용되며 악취를 비롯한 NOx, SOx 휘발성 유기화합물 등의 모든 기체 오염에 적용되며 유지관리비가 저렴하여 대기환경 관리 분야에서 기여도가 매우 큰 기체 오염처리장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 무전극 램프를 사용하므로 전극 열화 현상에 의한 수명 감소 요인이 없고 따라서 영구적으로 사용가능하여 램프의 파기에 따른 수은 오염의 문제를 절감시켜 환경적인 효과도 매우 큰 기체 오염처리장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 난제로 남아 있던 다이옥신 등의 유독성 가스의 처리와 세균 등의 생물학적 오염에도 대응할 수 있는 활용도가 매우 큰 기체 오염처리장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 수용성 가스를 용제로 용존시켜 포집하기 위한 스프레이 가습부, 부하를 경감시키도록 스프레이 가습부를 통하여 수용성 가스가 용존된 액적(mist)을 포집 배출하는 제1 세브론 필터부, 노점(Dew point) 영역으로 온도를 조절할 수 있도록 냉각소자가 결합된 제습부, 인입공기 중의 미세 먼지를 대전시키는 마이너스(-) 전극이 구비되어 정전 효과를 이용하여 미세 먼지를 제거하는 정전 필터부, 마그네트론을 이용하여 무전극식 자외선을 방출하는 공기투과형 평판식 자외선 램프부, 상기 자외선 램프부에 인접하여 구성된 하니컴 형상의 광촉매 필터부, 촉매 표면에 점착된 산(acid)의 세척을 위하여 광촉매 전단에 설치된 스프레이 노즐, 및 비산되는 액적을 포집하기 위한 제2 세브론(Chevron) 필터부를 구비하여 이루어지는 무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염 처리장치가 제공된다.

본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들과 특정한 장점과 신규한 특징들은 첨부 도면과 관련한 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염 처리장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기상오염처리장치의 구성을 도시한 사시도이다.

도 1 도시와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염처리장치는, 수용성 가스를 용제로 용존시켜 포집하기 위한 스프레이 가습부, 부하를 경감시키도록 스프레이 가습부를 통하여 수용성 가스가 용존된 액적(mist)을 포집 배출하는 제1 세브론 필터부, 노점(Dew point) 영역으로 온도를 조절할 수 있도록 냉각소자가 결합된 제습부, 인입공기 중의 미세 먼지를 대전시키는 마이너스(-) 전극(31)이 구비되어 정전 효과를 이용하여 미세 먼지를 제거하는 정전 필터부, 마그네트론을 이용하여 무전극식 자외선을 방출하는 공기투과형 평판식 자외선 램프부, 상기 자외선 램프부에 인접하여 구성된 하니컴 형상의 광촉매 필터부, 촉매 표면에 점착된 산(acid)의 세척을 위하여 광촉매 전단에 설치된 스프레이 노즐, 및 비산되는 액적을 포집하기 위한 제2 세브론(Chevron) 필터부를 구비하여 이루어진다.

도 1 도시와 같이, 악취를 포함한 오염공기(1)는 프리 필터(10)를 통과하는 과정에서 입경이 큰 먼지 등은 여과된 후 양측의 흡입 시로코 팬으로 된 송풍기(11)에 유입된다. 시로코 팬은 비교적 높은 풍압으로 공기를 토출할 수 있는 특징이 있어 후단에 있을 풍압 손실에 의한 풍량 저하를 막기 위한 것이다.

본 발명은 광화학적 방법에 의한 유해가스 처리장치이나 주 기능에서의 효율증대와 신뢰성 향상을 위하여 다음에 기술하는 전처리장치를 부착할 수 있도록 하였다.

인입되는 공기의 오염성분이 비교적 물에 잘 녹는 암모니아나 알콜과 같은 수용성 가스를 다량 함유하고 있는 경우에는 비교적 간편한 방법으로 농도를 저감할 수 있도록 수세(스크러버) 방식으로 스프레이 가습부를 구성하였으며, 도면에서는 미스트 스프레이 노즐(20)과 이의 지지 브라켓(21), 물을 공급하기 위한 호스(23)과 펌프(24)로 구성되어, 유해 기체 인입측에 물을 미세 입자화하여 분무하면 송풍기(11) 내부에서 혼합 배출되는 과정에서 수용성 가스 분자 등이 물의 미세입 자에 용존되며 이렇게 수용성 가스가 용존된 액적을 세브론 필터(30)로 이루어진 제1 세브론 필터부에서 분리 배출함으로 주장치에서의 부하를 경감하도록 한 것이다.

전처리 과정에 공통적으로 사용되는 세브론 필터(30)는 "ㅈ"자와 유사한 구조의 열전도성이 좋은 금속 판재로 제조되어 유입공기의 충돌을 유도하기 위하여 꺽인 모양을 하고 있으며 이의 구조와 동작 원리는 다음과 같다.

도 6 내지 도 8은 집진, 제습, 제산용으로 사용되는 세브론 필터(30)를 도시한 도면들로서, 도 6은 본 발명을 구성하는 세브론 필터를 이용한 제습 유닛의 사시도이며, 도 7은 본 발명을 구성하는 또 다른 실시예의 세브론 필터를 이용한 제진 유닛의 사시도, 도 8은 본 발명을 구성하는 세브론 필터에서의 공기의 흐름도를 나타낸 것이다. 도 8 도시와 같이 세브론 필터(30)는 나란히 배열하여 설치하게 되며 나란한 틈 사이로 공기를 지나가게 하면 공기는 꺽인 면에 계속하여 충돌하게 되며 에어 포켓(36) 부위에서는 소용돌이 현상이 발생하는 구조이다. 공기가 유입되는 부위는 도 7에서와 같이 바깥 측과는 판재(33)로 격리되나 에어 포켓(36) 부위는 노출되어 있도록 하여 외부와 압력 차이를 갖도록 하였다.

또한, 세브론 필터(30)의 일측 단부에 인접하여 폭 방향으로 연장하는 냉각 소자(32)가 장착되며, 타 측 단부에는 펠티어 효과를 응용한 냉각 및 가열소자로서 전류를 통전시키면 한쪽 면에는 발열 현상이, 다른 측면에는 흡열 현상이 나타나는 열전소자(40, 42)가 배치된다. 도 6에 도시된 열전소자(40, 42)는 통전시 전면은 흡열로 인한 냉각현상이 발생하게 되며 후면에는 이 흡열을 방출하기 위한 발열 현 상이 발생한다. 따라서 이 후면으로 모아진 열을 다른 곳으로 전달하여 발산하면 냉각면에서는 지속적인 냉각이 이루어지는 원리이다. 이러한 열전소자(40,42)의 냉각면에는 열 전도체(41)가 부착되어 세브론 필터(30)와 열적으로 결합되어 있어 냉각면의 온도가 세브론 필터(30)로 전달되도록 구성한다. 이러한 구성요소들이 제습부를 구성한다.

한편, 유입되는 공기가 다량의 분진을 포함하고 있는 경우에 대한 해결 방안으로서, 세브론 필터(30) 사이에 정전 필터부를 구성하는 대전 전극(31)을 설치하여, 송풍기(11)를 통과한 오염 공기가 대전 전극(31)을 지나며 유입 공기에 포함된 미세 먼지 등의 고형 성분이 (-)로 대전되도록 구성한다. 이러한 공기 역시 세브론 필터(30)를 통과하게 되는데, 이 때의 세브론 필터(30)는 (+)로 대전되어 정전기를 띤 미세 먼지를 흡착하도록 하였다.

본 발명에서 세브론 필터(30)는 세브론의 절곡 부위마다 오목한 역돌기부가 구비되어 액적과 미세먼지를 포집할 수 있으며 절곡부의 각도는 130도 내지 165도 일 수 있으며, 평행 배열된 상태에서 기체의 흐름 각도를 제어할 수 있도록 형성되고 열 저항이 낮은 구리 또는 알루미늄으로 성형됨이 바람직하다.

다음에는 전처리된 상태의 오염공기 또는 수용성 가스 농도가 저감된 피처리 기체를 분해처리하기 위한 공기투과형 평판식 자외선 램프부를 배치한다.

본 발명에서 악취를 비롯한 오염 기체는 연속적으로 발생하는 다량의 저 농도 기체로, 연속적인 처리가 바람직하며 이를 성취하기 위하여 자외선 램프가 설치된 공진기를 겸한 자외선 광원은 평판형 육면체 구조로 TE055 모드로 공진되며 양 측면은 금속 격자망으로 구성되어 전자파는 차폐하여 격자망 내에서 공진되고 격자를 통하여 자외선은 방사되며 기체는 자유롭게 통과할 수 있도록 구성되었으며 공진 캐비티에 다수개의 무전극 램프를 배치하되 전자계 공진 패턴에 일치되도록 하여 광변환 효율을 높일 것이 요구된다.

이러한 램프체는 다단으로 적층되며 적층면 사이마다 광촉매를 코팅한 하니컴을 삽입하여 광화학 반응과 촉매에 의한 산화반응이 일어나도록 하여 분자의 분해와 분해된 원자가 안정된 상태로 산화되도록 함이 바람직한 일이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 적용된 마이크로파 무전극 자외선 램프부의 구성도이다.

마이크로파 무전극 자외선 램프부는, 마이크로파 발생수단인 마그네트론(103), 마그네트론에서 발진된 전자파를 공진시키도록 형성되고 각 파절점(110,111)을 통하여 분기되어 각각 램프가 수납된 상측과 하측의 공진기(100, 150)로 주입하는 마그네트론 라운처(105)를 구비한다. 또한, 상측과 하측의 공진기(100, 150) 사이에는 무전극 자외선 램프에서 발생된 고밀도의 자외선이 조사되는 영역인 광화학 반응실(50)이 형성된다. 각각 램프가 수납된 상측과 하측의 공진기(100, 150)는 전자파 차폐용 격벽(104)으로 구획되고 이 격벽은 자외선램프(106)를 관통시키는 구멍이 있어 한 개의 램프가 두 개의 공진기에 공통으로 사용되도록 하였다.

일반적으로 마그네트론 전원공급기는 반파 배전압 방식을 채택하고 있으며 통상적인 60Hz 전원을 사용할 때 (+) 또는 (-)의 한 주기 동안에만 작동하게 된다. 본 발명에서는 두 개의 마그네트론(103)을 역위상으로 작동시켜 상호 보완에 의하여 공백시간을 줄이도록 하였으며 이는 도 3에서와 같이 자외선 램프(106)는 격벽 (104)을 통하여 공진기(101)와 공진기(102)에 수납되어 있고 격벽(104)의 구멍을 통하여 전자파의 누설이 발생하기 때문이다. 공진기 내부에 배치된 자외선 램프가 방전을 개시하면 관 내부는 자유전자로 인하여 도체의 성격을 가지게 되며 결과적으로 전자파의 전송 경로를 차단하는 특성을 갖게 되어 여러 개의 램프에 전자파 에너지가 고루 전달되기 어렵다. 따라서 본 발명에서는 도 2에서와 같이 공진기 내에 전파통로(107,108)를 확보하여 공진기 내의 전계 분포가 고르게 되도록 하였다.

도 5는 공진기(101,102)가 TE055 모드로 공진될 때의 공진 패턴으로 전파의 자유공간 내에서의 파장의 길이는 12.2cm 이나 도파관 같은 제한된 전도체로 둘러싸인 공간 내에서의 한 파장의 길이 λg는 이보다 길어지며 본 발명에 적용된 마그네트론 라운처(105)는 폭 82.5mm 의 도파관을 사용함에 따라 λg가 268mm가 되었으며 전자파의 파절점에 형성시킨 슬롯(110, 111) 간의 간격이 134mm가 되게 하여 각각에 35mm 두께의 공진기를 설치하고 그 사이에 90mm두께의 하니컴 광촉매를 삽입 할 수 있도록 하였으며, 상기 슬롯(110,111)과 상기 공진기(100,150) 간의 결합 예는 도 4에 도시하였다.

본 발명에서, 상기 무전극 자외선 램프는 초고주파 발진 마그네트론으로 구동되며, 고주파는 마그네트론 라운처의 1/2파장 파절점마다 형성된 슬롯을 통하여 TE0nm 모드의 평판형 공진기에 주입되도록 구성하며(여기에서 n과m은 3에서 12까지의 정수), 공진기 내부에 전자파 이송 경로를 구비한다.

또한, 본 발명에서 상기 공진기(101,102)의 상면은 금속격자망으로 형성되고, 격자망의 구경은 1~5mm이며, 상기 공진기(101,102) 내부에 무전극 자외선 램프를 n 또는 m 개 평면 배열한 것으로 n 과 m은 3에서 12까지의 정수이다.

더우기, 상기 평판형 자외선 램프체는 적층 배열되며 그 사이마다 하니컴 형태의 광 촉매를 적층하여 삽입한 것으로 촉매의 셀 직경은 2~5mm이며 촉매의 두께는 20~100mm이다.

또한, 자외선 램프는 200nm 근처의 단파장 차단 특성을 갖는 퀄츠(Quartz) 재질로 내부 체적 1㎤ 당 0.5~2mg의 수은이 봉입된 저압 자외선 램프로써 구경이 12~22mm 이며 총 길이는 400~1200mm 이내이다.

한편, 자외선 램프 구동원인 마그네트론이 복수개로 사용될 때는 마그네트론 전원 공급기의 교류입력을 단상의 경우에는 위상이 상반되도록 하고 삼상전력을 사용할 때는 각 상을 분배하여 전원 공급기에 공급하여 휴지시간(Dead time)을 상호 보완토록 구성된다.

이와 같이 구성된 상기 자외선 램프부에 인접하여 하니컴 형상의 광촉매 필터부를 배치하며, 촉매 표면에 점착된 산(acid)의 세척을 위하여 광촉매 전단에 스프레이 노즐을 설치하며, 비산되는 액적을 포집하기 위한 제2 세브론(Chevron) 필터부를 구성하는 데, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

유해기체가 자외선 램프부를 통과하면서, 광학적 해리 과정을 통하여 분해 될 때, 알콜류, 탄화수소류 등과 같이 탄소와 수소로 분해되는 경우에는 아무런 문제가 없으나 황화수소나 염화메틸과 같이 황이나 염소 성분이 포함되어 분해되어도 그대로 배출되기 곤란한 물질도 있으므로 본 발명에서는 이들을 OH 라디칼로 산화 하여 염산, 황산 등과 같은 산 형태로 안정화시켜 포집하여 대기중에 배출되지 않게 하기 위한 목적으로 광촉매 필터부(60)를 구성하고, 생성된 산(Acid)을 별도로 씻어내는 구성을 개발하였다.

광촉매는 반도체의 일종으로 반도체의 밴드 갭 에너지보다 높은 광 에너지를 받으면 광전 효과에 의하여 전자와 정공이 배출되며 이는 다시 물 분자에 작용하여 OH 라디칼을 형성하는 기작으로 이렇게 생성된 OH 라디칼은 대부분의 유기, 무기 분자를 산화시키게 되는 것이다.

금속산화물 계통의 광촉매는 TiO₂(3.2eV), WO₃(2.8eV), SrTiO₃(3.2eV), α-Fe₂O₃(3.1eV), ZnO(3.2eV)가 있으며 금속황화물 계통의 광촉매는 ZnS(3.6eV) 등이 있다.

산화물 반도체의 광산화 반응 활성도는 TiO₂(anatase) > TiO₂(rutile) > ZnO > ZrO₂ > SnO₂ > V₂O₃ 의 순으로, TiO₂가 가장 큰 활성도를 보이고 있으며 또한 생물학적 혹은 화학적으로 불활성이고, 광부식이나 화학적 부식에 대해 안정하며 값이 저렴하다는 강점을 가지고있다. TiO₂의 밴드 갭 에너지는 3.2eV로 370nm 보다 짧은 자외선 영역에서 활성화가 시작되며 파장이 짧아짐에 따라 광 활성은 증가한다. 즉, 광 촉매 산화 과정에는 단파장 자외선 여기 광원은 필수적이다. 많은 양의 OH 라디칼을 얻기 위해서는 넓은 광촉매 표면과 높은 에너지 밀도를 갖는 자외선 광원이 요구되며 처리하고자 하는 기체는 광 촉매 표면을 지나가며 광 촉매 표면에 생성된 OH 라디칼과 반응하여야하는 어려운 조건이 따른다.

본 발명에서는 평면구조를 갖는 무전극 자외선 램프구성체의 양면에 도 9, 도 10 도시와 같이, 광 촉매가 코팅된 알루미늄 하니컴(61 ~ 63)을 장착하여 광촉매 필터부(60)를 구성하되, 하니컴의 셀 내부에 자외선이 조사되는 동시에 이 셀을 통하여 피 처리 기체가 지나도록 하여 난제를 해소하였다. 하니컴의 셀의 크기는 작을수록 전체적으로 표면적이 넓어지며 기체와의 접촉 효율은 증가되어 본 발명에서는 1/16 ~ 1/8인치의 셀 크기를 갖는 알루미늄 하니컴(61 ~ 63)에 광 촉매를 코팅하여 이를 달성하였다.

도 9는 광 촉매가 코팅된 하니컴의 구조인 데, 자외선을 받은 광 촉매는 전자와 정공 쌍을 배출하며 이는 다시 물 분자에 작용하여 OH 라디칼을 생성하게 됨은 앞에서 설명한 바와 같으며, 하니컴에서의 셀의 간격이 미세할수록 공기와의 접촉 효율은 높아지나 기계적으로 셀의 간격을 작게 하는 데는 어려움이 있다. 도 10은 하니컴을 적층하였을 때 셀의 간격이 줄어드는 것을 나타낸 것으로 하니컴(61,62,63) 3매를 적층하여 기존 셀 크기를 1/6로 줄여 공기와의 접촉 효율을 증가시킨 것이다.

한편 자외선의 광화학 작용은 바이러스나 세균에 대한 살상 효과를 가지며 DNA의 이중 사슬구조에서 사슬을 결합하고 있는 수소 원자에 대한 광분해 현상으로 설명된다. 결과적으로 광 화학 작용은 유해 기체뿐만 아니라 바이러스나 세균에 대한 매우 높은 살상 효과를 가지므로 본 발명에서 제시한 오염 기체 처리장치는 무균실과 같은 위생 환경이 요구되는 곳에 대하여서도 우수한 효과를 나타낼 수 있 다.

이러한 산화 처리는 광 촉매 표면에서 수행되기 때문에 광 촉매의 표면에는 황이나 염소성분이 황산 또는 염산 등으로 안정되어 촉매 표면에 점착되어 기능을 점차 저하시키는 요인으로 남게 된다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 광 촉매의 표면을 주기적으로 세척하는 것이 필요하며 본 발명에서는 스프레이 노즐을 설치하여 주기적으로 세척수를 분사하여 촉매를 세척하도록 구성하였다.

이렇게 광촉매를 세척한 세척수는 처리공기와 함께 비산되어 배출되는 과정에서 제2 세브론 필터부를 구성하는 산(Acid) 포집용 세브론 필터(80)를 지나면서 액적(mist)은 포집되고 공기 성분만이 외부로 배출되는 구조이다.

또한, 본 발명에서는 오염공기의 오염성분이 고농도의 휘발성 유기화합물인 경우 수용성 가스의 용존, 포집장치는 휘발성 유기화합물의 응축회수장치로 작용시킬 수 있으며, 필터에서 수집된 분진, 수분, 액적 등은 압력차를 이용하여 외부로 배출되도록 할 수 있다.

다음에 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체 오염처리장치의 작동 관계를 성명한다.

인입되는 공기의 오염성분이 비교적 물에 잘 녹는 암모니아나 알콜과 같은 수용성 가스를 다량 함유하고 있는 경우에는, 비교적 간편한 방법으로 농도를 저감할 수 있도록 미스트 스프레이 노즐(20)과 이의 지지 브라켓(21), 물을 공급하기 위한 호스(23)과 펌프(24)로 구성된 스프레이 노즐부에서 오염 기체 인입측에 물을 미세 입자화 하여 분무하면 송풍기(11) 내부에서 혼합 배출되는 과정에서 수용성 가스 분자 등이 물의 미세입자에 용존되며 이렇게 수용성 가스가 용존된 액적을 세브론 필터(30)에서 분리 배출함으로 주장치에서의 부하를 경감한다.

또 다른 경우는 유입되는 공기가 다량의 분진을 포함하고 있는 경우에는 송풍기(11)를 통과한 오염 공기는 정정 필터부를 구성하는 대전 전극(31)을 지나며 유입공기에 포함된 미세먼지 등의 고형성분은 (-)로 대전된다. 이러한 공기 역시 세브론 필터(30)를 통과하게 되는데 이때의 세브론 필터(30)는 (+)로 대전되어 정전기를 띤 미세먼지를 흡착하도록 하였다.

또 다른 경우는 유입되는 공기가 다량의 수분을 함유하여 광화학 처리 효율을 저감시킬 때, 유입공기를 제습하도록 한다.

이렇게 전처리된 상태의 오염 공기 또는 수용성 가스 농도가 저감된 피처리 기체는 자외선이 조사되고 있는 광화학 반응실(50)로 유입되며 자외선 램프에서 방사되는 약 20mW/㎠/sec의 광학 에너지는 유입되는 공기 중 오염 성분을 광 분해하게 되며, 자외선 램프의 주 파장은 254nm로 분자 간의 결합 에너지가 460KJ/몰 이하의 분자들을 해리하게 되어 대부분의 악취와 휘발성 유기화합물, 대기오염 물질인 질소산화물, 황 산화물 등을 분해한다.

유해기체가 광학적 해리 과정을 통하여 분해될 때 알콜 류, 탄화수소류 등과 같이 탄소와 수소로 분해되는 경우 외에 황화수소나 염화메틸과 같이 황이나 염소성분이 포함되어 분해되어 그대로 배출되기 곤란한 물질이 포함되면, 이들을 OH 라디칼로 산화하여 염산, 황산 등과 같은 산 형태로 안정화시켜 포집하여 대기중에 배출되지 않도록 광촉매 필터부(60)에서 산화시키며, 생성된 산(Acid)을 별도로 제산 공정을 통하여 세척하도록 한다.

광 촉매 산화 과정에서는 단파장 자외선 여기 광원은 필수적인 바, 본 발명에서는 평면구조를 갖는 무전극 자외선 램프구성체의 양면에 광촉매가 코팅된 알미늄 하니컴(61~63)을 장착하여 하니컴의 셀 내부에 자외선이 조사되는 동시에 이 셀을 통하여 피 처리 기체가 지나도록 하여 이를 해소하였다. 또한, 이러한 산화 처리는 광촉매 표면에서 수행되기 때문에 광촉매의 표면에는 황이나 염소성분이 황산 또는 염산 등으로 안정되어 촉매 표면에 점착되어 기능을 점차 저하시키는 것을 방지하도록 스프레이 노즐(도시 생략)을 설치하여 광 촉매의 표면을 주기적으로 세척하도록 구성하였으며, 이렇게 광촉매를 세척한 세척수는 처리공기와 함께 비산되어 배출되는 과정에서 산 포집용 세브론 필터(80)로 이루어진 제2 세브론 필터부를 지나면서 액적(mist)은 포집되고 공기 성분만이 외부로 배출된다.

한편, 상기와 같은 광 촉매 필터부(60)의 오염 기체 처리에 앞서 무전극 자외선 램프부에서의 오염 기체의 분해과정은 다음과 같이 진행된다.

마이크로파 발생수단인 마그네트론(103)에서 발진된 통상 2450MHz ±20MHz의 주파수의 전자파는 마그네트론 라운처(105)에서 도 5 도시와 같이 TE012 모드로 공진되며 각 파절점(110,111)을 통하여 2분기되어 각각 램프가 수납된 상측 공진기(100)와 하측 공진기(150)로 주입된다. 공진기 내부에 배치된 자외선 램프가 방전을 개시하면 관 내부는 자유전자로 인하여 도체의 성격을 가지게 되며 결과적으로 전자파의 전송 경로를 차단하는 특성을 갖게 되어 여러 개의 램프에 전자파 에너지 가 고루 전달되기 어려우므로 공진기 내에 전파통로(107,108)를 확보하여 공진기 내의 전계 분포가 고르게 되도록 하였다.

세브론 필터부를 오염 공기가 통과하는 중의 집진, 제습, 제산 작용을 살펴 보면, 나란한 세브론 필터의 틈 사이로 공기를 지나가게 하면 공기는 꺽여진 면에 계속하여 충돌하게 되며 에어 포켓(36) 부위에서는 소용돌이 현상이 발생하는 구조이다. 먼저 제진의 기능으로 사용될 때는 도 1의 정전 필터부를 구성하는 대전 전극(31)을 통하여 대전된 유입 공기 중의 미세 먼지는 도 7, 도 8의 필터(30)에 충돌하게 되며 이 과정에서 (+)로 대전되어 있는 세브론 필터(30)는 정전 현상에 의하여 미세 먼지를 흡착하여 풍속이 낮은 오목한 에어 포켓(36)으로 모이게 되며 다시 압력이 낮은 외부방향(39)으로 배출되어 콜렉터에 모여 배출되고 함께 유입된 공기는 유입측의 반대방향(38)으로 배출되어 결과적으로 유입공기에 포함된 미세 고형성분과 기체성분을 분리하게 되는 것이다.

한편, 온도를 이슬점 온도까지 냉각시킨 상태에서 외부 공기를 도 8에서와 같이 유입시키면 공기에 함유된 수분은 응결되어 에어포켓(36) 부위로 모여지며 압력차이로 인하여 외부로 유출되도록 한 것이다. 이때 발생된 냉각소자(32) 후면의 열은 열전도체(41)을 통하여 상단에 위치한 세브론 필터(30)에 고루 전달되고 제습, 냉각된 이송공기에 의하여 냉각된다. 열전소자에 흘려주는 전류를 제어함으로 온도를 제어할 수 있으며 이는 다시 유입 공기 중의 수분 함량을 제어하는 결과로 나타나 광 촉매에서 OH 라디칼 생성의 최적 습도 조건을 구현하도록 하였다.

상기 설명한 바와 같은 구성을 갖는 오염 기체 처리장치는 모든 기체 오염 성분을 안정적이며 완벽하게 처리하며 소형, 경량화가 가능하여 종래의 악취 처리를 위한 바이오 필터를 대체하며, 실내 환경에서 대규모의 산업체에까지 적용되며 악취를 비롯한 NOx, SOx 휘발성 유기화합물 등의 모든 기체 오염에 적용되며 유지관리비가 저렴하여 대기환경 관리 분야에서 기여도가 매우 크다.

또한, 본 발명에 따른 무전극식 자외선 발생장치는 무전극 램프를 사용하므로 전극 열화 현상에 의한 수명 감소 요인이 없고 따라서 영구적으로 사용하여 램프의 파기에 따른 수은 오염의 문제를 절감시켜 환경적인 효과도 매우 크다.

더우기, 다이옥신 등의 유독성 가스의 처리와 세균 등의 생물학적 오염에도 대응할 수 있는 등 활용도가 매우 크다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 이 기술분야의 당업자들은 다양한 수정이나 변형이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구 범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims

광화학 반응과 광촉매 반응을 병행하여 사용하는 오염기체처리장치에 있어서,

수용성 가스를 용제로 용존시켜 포집하기 위한 스프레이 가습부;

부하를 경감시키도록 스프레이 가습부를 통하여 수용성 가스가 용존된 액적을 포집 배출하는 제1 세브론 필터부;

노점 영역으로 온도를 조절할 수 있도록 냉각소자가 결합된 제습부;

인입 공기 중의 미세 먼지를 대전시키는 마이너스(-) 전극이 구비되어 정전 효과를 이용하여 미세 먼지를 제거하는 정전 필터부;

마그네트론을 이용하여 무전극식 자외선을 방출하는 공기투과형 평판식 자외선 램프부;

광화학 반응에 의하여 유입가스가 해리반응을 일으키도록 광분해부;

상기 평판식 자외선 램프부에 인접하여 배치된 하니컴 형상의 광촉매 필터부;

촉매 표면에 점착된 산의 세척을 위하여 광촉매 전단의 광 분해부에 설치된 스프레이 노즐; 및

비산되는 액적을 포집하기 위한 제2 세브론 필터부를 구비하여 이루어지는 무전극 자외선램프에 의한 광분해 반응과 광촉매에 의한 광화학 반응을 이용한 기체오염처리장치.
제 1항에 있어서, 세브론 필터는 세브론의 절곡 부위마다 오목한 역돌기부가 구비되어 액적과 미세먼지를 포집할 수 있으며 절곡부의 각도는 130도 내지 165도 이며, 평행 배열된 상태에서 기체의 흐름 각도를 제어할 수 있도록 형성되고 열 저항이 낮은 동 또는 알루미늄으로 성형된 기체오염처리장치.
제 1항에 있어서, 무전극 자외선 램프는 초고주파 발진 마그네트론으로 구동되며, 고주파는 마그네트론 라운처의 1/2파장 파절점마다 형성된 슬롯을 통하여 TE0nm 모드의 공진기에 주입되도록 구성하며(여기에서 n과m은 3에서 12까지의 정수), 공진기 내부에 전자파 이송 경로를 구비한 것을 특징으로 하는 기체오염처리장치.
제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서, 평판식 자외선 램프부는 좌우 측으로 넓은 평판형 공진기를 구비하고, 상기 평판형 공진기의 상면에 넓은 금속격자망이 형성되어 있으며, 격자망의 구경은 1~5mm이고, 평판형 공진기 내부에 무전극 자외선 램프를 n 또는 m 개 평면 배열한 것으로 n 과 m은 3에서 12까지의 정수인 것을 특징으로 하는 기체 오염처리장치.
제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서, 평판식 자외선 램프부는 적층 배열되며 그 사이마다 하니컴 형태의 광 촉매를 적층하여 삽입한 것으로 촉매의 셀 직경은 2~5mm이며 촉매의 두께는 20~100mm인 것을 특징으로 하는 기체 오염처리장치.
제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서, 자외선 램프는 200nm 근처의 단파장 차단 특성을 갖는 퀄츠 재질로 내부 체적 1㎤ 당 0.5~2mg의 수은이 봉입된 저압 자외선 램프로써 구경이 12~22mm 이며 총 길이는 400~1200mm 이내인 것을 특징으로 하는 기체오염처리장치.
제 1항에 있어서, 자외선 램프 구동원인 마그네트론이 복수개인 경우, 마그네트론 전원 공급기의 교류입력 위상이 상반되도록 하여 휴지시간을 상호 보완토록 구성하는 것을 특징으로 하는 기체오염처리장치.
제 1항에 있어서, 오염공기의 오염성분이 고농도의 휘발성 유기화합물인 경우 수용성 가스의 용존, 포집장치는 휘발성 유기화합물의 응축회수장치로 작용시킬 수 있으며, 필터에서 수집된 분진, 수분, 액적 등은 압력차를 이용하여 외부로 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 기체오염처리장치.